宇宙线起源中物理学前沿问题.pdfVIP

2016 年 第 61 卷 第 11 期： 1188 ~ 1209 《中国科学》杂志社 专栏 评 述 SCIENCE CHINA PRESS 第518次学术讨论会 • 宇宙线起源的天文和物理交叉研究前沿 宇宙线起源中物理学前沿问题 * 胡红波, 郭义庆 中国科学院高能物理研究所, 北京 100049 *联系人, E-mail: huhb@ 2015-07-01 收稿, 2015-07-31 修回, 2015-07-31 接受, 2015-10-08 网络版发表 国家自然科学基金资助项目 摘要 宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的. 此后, 人们在宇宙线的研究中发现了 众多的基本粒子及其相互作用规律, 中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验. 迄今为止, 人 们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测. 宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题, 从中诞生 了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学. 目前, 人们已经发现了为数众多的电子加速源, 但 作为宇宙线成分中最为主要的核子, 其起源问题依然没有解决. 精确测量宇宙线核子的成分和能谱, 观测和研究 高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制, 有助于解决宇宙线的起源问题. 此外, 这些研 究也是间接探测暗物质粒子, 研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段. 关键词 宇宙线, 伽玛射线, 中微子 1 宇宙线的发现、历史回顾和天体粒子物 德森从宇宙线中发现了正电子, 使得我们对于正、反 理的兴起 物质世界的认识向前跨越了极大的一步; 1937年, 安 德森和尼德迈尔利用云雾室又在宇宙线中发现了 1912年, 奥地利物理学家赫斯乘坐热气球上升 子; 1947年, 鲍威尔在高空核乳胶中发现了汤川秀树 到5350多米的高空. 在6小时飞行当中, 通过对电离 于1934年预言的能传递强相互作用的介子. 室中电流的测量, 发现高空空气的电离率是地面的 作为联系微观粒子和宏观宇宙的桥梁, 宇宙线 数倍, 从而说明这种空气中的电离现象是由地球外 研究既对粒子物理也对天体物理做出了重要贡献. 边的“辐射”(后被称为宇宙线)所致. 值得一提的是, 一个突出的例子, 就是对太阳中微子和超新星中微 1913~1914年, 德国物理学家柯尔霍斯特重复了赫斯 子的观测的贡献. 在长达24年的观测中, 雷蒙德 ·戴 的实验, 1914年的气球飞行竟达到了9000 m 的海拔高 维斯发现了太阳中微子的缺失, 为研究不同味道中 度. 赫斯实验后来被人们认为是标志宇宙线发现的 微子之间的振荡效应做出了卓越贡献[2]; 小柴昌俊 实验, 高海拔及空间实验也从此与宇宙线研究结下 所领导的神冈实验除了证实太阳中微子缺失, 还发 了不解之缘. 现了超新星SN1987A爆炸时所发出的中微子, 直接 从宇宙线发